Los espejismos
Un espejismo es una ilusión óptica debida a la reflexión total de la luz, originada cuando ésta atraviesa capas de aire de distinta densidad. Así objetos lejanos ofrecen una imagen invertida como si se reflejasen en el agua, o bien aparecen flotando en el aire o sobre la superficie del mar.
Pero… ¿cuál es el mecanismo que los forma?
Ya se apuntaba en el primer párrafo: el cambio de dirección que experimenta la luz al pasar de un medio a otro de diferente densidad, que se mide con el índice de refracción, que no es más que la relación entre la velocidad de la onda en un medio de referencia (el vacío para las ondas electromagnéticas) y su velocidad en el medio del que se trate.
Así, cuando la onda de luz incide oblicuamente sobre la superficie de separación de los dos medios, y si éstos tienen índices de refracción distintos, se produce la refracción. El ejemplo clásico de este fenómeno es el de un lápiz y otro objeto semi-sumergido en un vaso con agua: la cuchara parece quebrada.
También se produce refracción cuando la luz atraviesa capas de aire a distinta temperatura (y por ello densidad), de la que depende el índice de refracción. Los espejismos son producidos por un caso extremo de refracción, denominado reflexión total.
Los espejismos pueden ser de dos tipos: superiores e inferiores, dependiendo de en qué lugar se encuentra la capa de aire caliente.
¿Cómo es eso?
Los espejismos superiores se producen cuando el aire que está cerca de la superficie es más frío (y por lo tanto más denso) que el aire que se encuentra justo encima. Esta inversión térmica se suele dar en latitudes altas donde los mares son fríos y la capa de aire cercana a la superficie del mar está más fría que la superior. La luz ascendente es refractada hacia abajo por la capa cálida produciendo una imagen invertida que parece flotar en el cielo.
Los espejismos inferiores son más comunes, y se producen cuando el aire que está más cerca de la superficie es más caliente (y por lo tanto menos denso) que el aire que se encuentra justo encima. Este fenómeno se observa preferentemente en los desiertos donde el espejismo puede dar la apariencia de un lago o mar desde cierta distancia y, en un ejemplo mucho más cercano, en el asfalto recalentado de las carreteras, con la apariencia de una superficie líquida que refleja imágenes, como un charco. Pero cuanto más se avanza hacia esa zona más parece alejarse, hasta que de repente desaparece.
Veamos algunas imágenes más:
Nota sabionda: Si hace mucho calor y el asfalto de la carretera está muy caliente, incluso se puede apreciar a simple vista como asciende el aire caliente. Y la diferente densidad de ese aire ascendente provoca que llegue una imagen borrosa al observador, pues el diferente índice de refracción hace que la luz se refracte de forma continua al atravesar las distintas capas de aire y se curve.
Nota sabionda: Una cosa parecida ocurre al repostar el automóvil. Si el día es soleado se puede observar en los alrededores de la entrada al depósito, un efecto óptico, una distorsión de imagen. En este caso provocada por los gases desprendidos por el combustible. De una densidad diferente al la del aire circundante y por ello provocadores de refracción.
Respuesta a una consulta de Leonel Domínguez Quijano
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Es una imagen típica de la ciudad de Nueva York que todos hemos visto en las películas: las alcantarillas humeantes.
Muchos curiosos se habrán preguntado ¿de dónde sale este humo?
Bien, en primer lugar no se trata de humo sino de vapor de agua. Y procede de fugas del sistema de vapor de la ciudad.
¿Y para qué quieren un sistema de vapor?
En el subsuelo de la ciudad existe un estramado de tuberías y canalizaciones que distribuyen vapor de agua por toda la ciudad. Así se hacen innecesarios los calentadores y radiadores a título particular; simplemente se contrata el servicio y se dispone de vapor para la calefacción, para calentar el agua, para la limpieza y desinfección, e incluso se utiliza la presión del vapor para hacer que funcionen las enormes máquinas de aire acondicionado de las empresas y comercios.
Así en los hogares y comercios neoyorkinos existe un contador de suministro junto con el del agua, la luz y el gas: el del vapor.
Este servicio lo provee la empresa Consolidated Edison Inc., compañía de suministros de electricidad, gas y vapor. En concreto convierte cada año alrededor de 1,36×10^10 kg de agua en vapor al calentarla a 538°C. Inmediatamente la vierte al sistema de vapor de la ciudad, a la mayor red de distribución de vapor del mundo.
Nota sabionda: En ocasiones, una grieta en una tubería ocasiona que se escape por ella un buen chorro de vapor. Por lo que se colocan en la calle unas llamativas chimeneas a franjas rojas y blancas para proteger a los transeuntes. El exceso de presión en esas tuberías de vapor ha ocasionado en más de una ocasión algún incidente, como en 1989, cuando una explosión similar causó tres muertos y numerosos daños materiales en edificios.
Nota sabionda: En otras ciudades se puede observar vapor pero como condensación de aire caliente en contacto dcon el aire muy frío del exterior. Así solamente ocurre el fenómeno en invierno, y no como en NY que se puede observar el vapor incluso en verano.
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La temperatura del polo, sí… pero… ¿de cuál?
Porque en contra de lo que podría pensarse, las temperaturas del Polo Norte y del Polo Sur difieren notablemente entre sí.
El Polo Sur es el más frío de los dos. En la estación rusa Vostok se ha llegado a registrar la temperatura más baja medida alguna vez en la Tierra: -89,2 ºC el 21 de julio de 1983. Y en la base norteamericana Amundsen-Scott, es común registrar temperaturas por debajo de los -50 ºC, que es la temperatura promedio anual para el continente.
En cambio, en el Polo Norte, si bien las temperaturas descienden por debajo de los -40ºC, no llegan a los extremos del Polo Sur, manteniéndose la media anual alrededor de los -30 ºC.
Esta diferencia climática se debe a que la Antártida es un continente helado y el Polo Norte un mar congelado en el centro del Océano Ártico, en la llamada cuenca de Nansen.
La Antártida es un continente donde el hielo y la nieve cubren una enorme masa de tierra hasta una altitud media de 2.835 m sobre el nivel del mar y una altitud puntual de hasta 4.000 m. Como se estima que el espesor de la capa de hielo es de unos 2.700 m, la tierra estaría prácticamente a nivel del mar.
Entonces… ¿cuáles son los mecanismos que causan esta diferencia térmica?
El agua posee un alto calor específico, lo que significa que para calentar una determinada cantidad de agua se necesita un aporte de energía mayor que el que requieren otros elementos. Tarda más tiempo en calentarse y también más en enfriarse.
Así, los océanos se calientan muy lentamente y también tardan más tiempo en desprenderse del calor que han acumulado, dando como resultado un clima más suave. Y eso es lo que ocurre en el Polo Norte.
En cambio, en el Polo Sur existe un clima continental sin que se sienta la acción reguladora del océano, por lo que el frío es más extremo, al desprenderse más rápidamente del calor acumulado durante el día. La altitud también contribuye, ya que a mayor altura la temperatura desciende. Y es allí precisamente, en los puntos más altos, donde se registran las temperaturas más extremas.
Nota sabionda: La Antártida es el único continente que no tiene una población humana permanente.
Nota sabionda: No hay una razón a priori para posicionar el Polo Sur en un huso horario, pero por una razón de conveniencia práctica, la Base Amundsen-Scott mantiene el tiempo de Nueva Zelanda.
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Una lámpara de lava es un elemento decorativo más que de iluminación. Aunque originalmente recibió el nombre de Astrolight, es más conocida como lámpara de lava por el fluir apacible de los fluidos de su interior que recuerdan una corriente de lava.
Esta lámpara consta de un recipiente transparente en cuyo interior se suelen mover dos (aunque en ocasiones son más) sustancias coloreadas y una base metálica en la que se oculta la fuente de luz que las ilumina.
Una de estas sustancias es agua (en ocasiones coloreada) y la otra una cera o aceite (también coloreado). Son inmiscibles entre sí ya que son agua y aceite, por lo que el aceite o cera suele mostrar formas esféricas en suspensión.
Merced al calor que proporciona la fuente luminosa, la materia grasa se fluidifica y pierde densidad, de manera mucho más rápida que el fluido hidrosolubre que las rodea, y por ello asciende. Una vez en la parte superior de la lámpara y lejos de la fuente calorífica, la cera, mal conductor térmico, se enfría rápidamente, su densidad aumenta y, consecuentemente, se vuelve a hundir.
De esta manera se establece un movimiento convectivo de curiosas formas y volúmenes, que se mantendrá mientras la lámpara este encendida y proporcione el calor necesario al sistema.
Nota sabionda: La temperatura exterior influye en el tamaño y cantidad de las gotas de cera. Así, en verano se formarán muchas y pequeñas, mientras que en invierno tardarán más en formarse y serán pocas y de mayor tamaño.
Nota sabionda: La lámpara de lava fue un icono de los años 1960, pues el constante cambio y la demostración intensa de color fueron comparados a las alucinaciones psicodélicas de drogas como el LSD.
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Es realmente molesto un parabrisas empañado. Y peligroso cuando se empaña de repente y las condiciones atmosféricas son adversas: lluvia, nieve… o simplemente es de noche.
Así que es necesario desempañarlo lo antes posible y mantenerlo así para tener visibilidad y facilitar la conducción.
Pero para saber la mejor forma de hacerlo es conveniente saber primero por qué se empaña.
Tanto el parabrisas como el resto de lunas del coche se empañan cuando el aire está húmedo y el cristal está suficientemente frío para que el vapor de agua se condense sobre él. Como lo más habitual es que haya más humedad dentro del habitáculo cerrado del coche que en el exterior y que la temperatura interna sea más elevada que la externa, el cristal se empaña por dentro.
Y la razón de esta diferencia de humedad y de temperatura son los propios ocupantes del vehículo. El vapor de agua que exhalamos con la respiración, la evaporación de agua de las prendas y objetos por la temperatura corporal… Por eso se empañan más rápidamente cuanto más ocupantes hay en el vehículo.
Sabiendo que el factor determinante es la humedad, es fácil deducir que lo que se debe hacer para desempañar el cristal es secar el ambiente. ¿Y cómo?
No es cuestión de dejar de respirar, así que bastará abrir un poco las ventanas para que el aire del menos húmedo del exterior penetre y los seque, o poner en marcha el aire acondicionado dirigido al parabrisas para secarlos más rápidamente. Pero ¿aire caliente o frío?
En realidad no importa la temperatura del aire porque no se empañan por diferencia térmica. Se empañan por condensación de humedad, así que hay que secar los cristales, no enfriarlos o calentarlos. Por ello tomaremos la solución más cómoda, y si en el exterior hace frío no abriremos las ventanas ni pondremos el aire frío para congelarnos, si no que usaremos la calefacción. Y si en el exterior no hace excesivo frío y en el interior hace calor, abriremos las ventanas o pondremos el aire frío. O ambas cosas a la vez.
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Es habitual poder ver a estas gráciles aves zancudas mantenerse sobre una sola de sus delgadas patas. Pero… ¿por qué lo hacen? ¿no es una postura incómoda?
Mantienen esta curiosa postura para regular su temperatura corporal.
El plumaje de las aves mantiene la temperatura de su cuerpo al funcionar como aislante, pero el pico y las patas, al carecer de plumas, son zonas del cuerpo por las que se pierde calor.
Pérdida que se acrecienta cuando el flamenco se encuentra en el agua, por lo que adopta en ella con mayor frecuencia la mencionada postura, replegando una de su largas patas (con mucha superficie de contacto) bajo el cobijo de su plumaje. Así la pérdida de calor se reduce a casi la mitad.
Este mecanismo es utilizado por otras aves zancudas como las cigüeñas.
En cuanto a la incomodidad, esta no es tal. Nos parece una postura incómoda a nosotros porque nos es difícil de mantener sin perder el equilibrio, pero las patas del flamenco possen un mecanismo de bloqueo que encaja la articulación de la pata de apoyo, de tal manera que el animal no realiza ningún esfuerzo muscular para mantenerse así.
Un mecanismo similar al que evita que los pájaros se caigan de las ramas en las que se posan.
Nota sabionda: Los flamencos se alimentan de crustáceos y algas. Los carotenoides que obtienen de su comida son los que tintan su plumaje: desde el blanco de las crías al rosa o rojo luminoso de los adultos sanos.
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El pájaro bebedor es una especie de juguete, curiosidad u objeto decorativo consistente en la figura de un pájaro colocada junto a un vaso o recipiente con agua.
En un momento dado el pájaro se inclina e introduce su pico en el agua y luego vuelve a recuperar la vertical. Más tarde volverá a repetir la accción, y lo seguirá haciendo indefinidamente siempre que no le falte provisión de agua.
Pero… ¿cómo lo hace? No tiene pilas, ni se le da cuerda… ¿magia? ¿realmente se inclina a beber solamente cuando tiene sed?
En absoluto. El pájaro bebedor es un ejemplo de las propiedades de la termodinámica, es una máquina que convierte energía térmica en energía mecánica.
Veamos como funciona.
En esencia son dos bulbos de vidrio unidos por un tubo también de vidrio. En su interior hay un líquido volátil como el éter etílico, que llena algo más de la mitad del bulbo inferior. El bulbo superior, unido directamente al tubo, tiene una pequeña protuberancia simulando el pico, y tanto ésta como el resto del bulbo están recubiertos de un fieltro que da forma a la cabeza y al pico. El tubo de vidrio llega hasta casi el fondo del bulbo inferior. En el centro del tubo hay una barrita metálica cuyos extremos se apoyan en el armazón de la base, de tal manera que el conjunto pueda oscilar con facilidad.
Una vez colocado al lado de una vaso con agua, a la distancia justa para que el pico se introduzca en el agua cuando adopte la horizontal, se moja el fieltro de su cabeza con agua y sólo queda esperar.
Parte del agua que humedece el fieltro se evapora —siempre que el aire no se encuentre saturado de humedad— en un proceso adiabático que hace que disminuya la temperatura del aire que ocupa la cabeza. Aunque la variación de temperatura es pequeña, debido a que la presión es directamente proporcional a la temperatura y a que el líquido está próximo a su temperatura de ebullición, se establece una gran diferencia de presión entre la cabeza y la base.
La mayor presión existente entonces en el bulbo inferior obliga al líquido a subir por el tubo. Cuando parte del líquido alcanza la cabeza, el mecanismo se desestabiliza al cambiar su centro de gravedad y gira hasta ponerse horizontal. En esa posición la cabeza se humedece de nuevo y al quedar el extremo inferior del tubo al descubierto se igualan las presiones y el líquido desciende al bulbo inferior. El pájaro bebedor recupera la posición vertical.
De nuevo se evapora algo de agua y el proceso se repite.
Dibujo de la patente original del drinking bird, ‘pájaro bebedor’. M. V. Sullivan, U.S. Patent 2.402.463 (1946)
drinking bird en acción
Nota sabionda: Es importante para mejorar su funcionamiento, tanto el líquido que el pájaro contiene como lo profundo que el tubo se introduce en el bulbo inferior. El líquido volátil, habitualmente CF3CHCl2, tiene un punto de ebullición de 28ºC cercano a la temperatura ambiente, lo que facilita el proceso de cesión de temperatura por la evaporación. Y que el tubo llegue casi al fondo del líquido contenido en el bulbo inferior, para que la presión del líquido actúe en favor del proceso. Si esto no fuera así, la diferencia de presiones podría no ser suficiente como para elevar el líquido hasta la cabeza.
Nota sabionda: El calentamiento y enfriamiento adiabático son procesos que comúnmente ocurren debido al cambio en la presión de un gas. Esto puede ser cuantificado usando la ley de los gases ideales, P·V=T (donde P es presión, V es volumen y T es temperatura).
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En esta entrada se trató acerca de la temperatura más baja que se puede alcanzar: el cero absoluto. Ahora, el buen curioso se pregunta: ¿Y la más alta?
La energía interna es la energía que una sustancia contiene en su interior debido al hecho de que sus átomos y moléculas están en movimiento. Y la temperatura es un concepto inventado por el hombre para asignar un número a esa energía, de manera que podamos comparar o establecer aumentos o disminuciones.
Entonces una mayor temperatura se corresponderá a una mayor velocidad de vibración, de desplazamiento y de choque de los átomos y moléculas que forman la sustancia. Y si existe límite a la temperatura que se puede alcanzar vendrá determinado por un máximo de velocidad.
¿Existe ese límite de velocidad para el desplazamiento de las partículas atómicas? Veamos antes qué sucede al calentar un sólido añadiéndole energía calorífica.
En primer lugar se operará un cambio de estado y el sólido se fundirá en un líquido, situación en la que las moléculas gozarán de más libertad de movimiento y podrán seguir aumentando su velocidad. Después se operará un nuevo cambio de estado físico y el líquido se evaporará convirtiéndose en vapor o gas, en una condición en la que sus átomos y moléculas se moverán rápida y libremente en todas direcciones.
Si la sustancia está compuesta de moléculas, tarde o temprano éstas se desharán en fragmentos más pequeños o en átomos como resultado de las violentas colisiones y la elevada velocidad. Incluso los átomos se romperán a una temperatura lo suficientemente alta, con los electrones arrancados de sus órbitas y los núcleos atómicos disgregados, dando como resultado un hirviente y fluido infierno de electrones libres y fragmentos atómicos cargados, que conocemos con el nombre de plasma y que muchos califican de cuarto estado de la materia.
¿Podemos seguir calentándolo? Sí, pero hasta un límite. Hasta que esas partículas alcancen la máxima velocidad posible en el Universo: la velocidad de la luz en el vacío. Una velocidad fijada en 1.080 millones de Km/h (300.000 Km por segundo).
La Teoría de la Relatividad de Einstein nos explica que cualquier objeto, un electron por ejemplo, puede aproximarse a la velocidad de la luz pero no alcanzarla. También que conforme una partícula se mueve más rápidamente se vuelve más pesada. Así que ha de existir un límite antes de que las partículas de un plasma alcancen la velocidad de la luz y un peso infinito. Consideraciones teóricas sitúan esa temperatura en 14×10^31 grados.
No se puntualiza si Fahrenheit o Celsius, pero a esos niveles… ¡qué más da!
Nota sabionda: Este estado de agregación fue identificado por primera vez por Sir William Crookes en 1879, y fue denominado plasma por Irving Langmuir.
Nota sabionda: El estado de plasma es más corriente de lo que parece. De hecho, la mayor parte de la materia del Universo visible se encuentra en estado de plasma. La materia de las estrellas y las nebulosas, por ejemplo, se encuentra en ese estado merced a las elevadas temperaturas.
calor electrón molécula temperatura velocidad¿Qué es el cero absoluto?
El cero absoluto es el cero en la escala Kelvin, el equivalente a -273,15º C, pero… ¿qué significa? ¿la ausencia de calor? ¿la temperatura más baja posible?
Primero es necesario distinguir entre energía interna, calor y temperatura, para aclarar ideas. El calor La energía interna es la energía que una sustancia contiene en su interior debido al hecho de que sus átomos y moléculas están en movimiento. El calor es el flujo o transferencia que se da de forma espontánea entre dos cuerpos de diferente energía interna. Y la temperatura es un concepto inventado por el hombre para asignar un número a esa energía, de manera que podamos comparar o establecer aumentos o disminuciones.
Así, cuando decimos que aumenta la temperatura de una sustancia, que se calienta, lo que decimos realmente es que sus átomos y moléculas se mueven más rápido porque se le ha añadido energía calorífica. Y cuando decimos que la temperatura disminuye, que la sustancia se enfría, lo que decimos realmente es que sus átomos y moléculas se mueven más lentamente porque pierden energía calorífica.
Tanto la escala Celsius como la Fahrenheit nos proporcionan una medida de esa variación energética, pero no marcan sus límites referidas a ese movimiento molecular, sino a otros fenómenos. Por ejemplo, la escala Celsius tiene el 0 en el punto de congelación y 100 en el punto de ebullición del agua. Y la Fahrenheit cifra esos mismos sucesos físicos en 32 y 212 grados. La esencia del problema es que ninguna de las dos escalas de temperatura contempla el cero de contenido calorífico, la total ausencia de calor.
Lord Kelvin (1824-1907), aristócrata y científico británico, preparó una escala de temperaturas que comienza en la nada de calor, en la situación en que una sustancia es tan fría como puede llegar a ser, en el cero absoluto. Cuando los átomos y las moléculas de la sustancia dejan de moverse por completo y no hay ninguna energía calorífica.
Nota sabionda: En realidad el movimiento atómico y molecular no se detiene del todo en el cero absoluto. Según la mecánica cuántica siempre queda una pequeña porción de energía residual, llamada energía de punto cero, para poder así cumplir el principio de indeterminación de Heisenberg. El cero absoluto no puede ser alcanzado aunque se han realizado experimentos que se han acercado a unas billonésimas de grado de él.
Nota sabionda: Según la teoría a esa temperatura un gas se solidificaría y se encogería tanto con el frío que llegaría a desaparecer.
Nota sabionda: A temperaturas cercanas al cero absoluto se dan fenómenos especiales en la materia, como son la superconductividad y la superfluidez.
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